双波长闪烁仪系统(Optical-Microwave System, OMS)研究进展及估算内陆水体应用案列

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双波长闪烁仪系统

(Optical-Microwave System, OMS)

研究进展及估算内陆水体应用案列

作者：应用工程师 吴森

● OMS系统测算大尺度蒸散发的基本计算原理及相关研究进展

蒸散(Evapotranspiration) 是全 球水循环的重要组成部分。在全 球气候变化的背景下，气温、降水均发生了显著的变化，水循环的加速导致区域水资源分布不均匀的现象更为严重。因此，蒸散的观测已成为气象学、水文学、地理学及生态学等相关学科共同关注的热点主题。深入了解蒸散过程对天气预报、干旱监测、区域水资源管理及全 球变化等研究具有重要意义。

蒸散过程复杂，涉及范围广，包括中小尺度(几百米范围)和区域尺度(公里范围)，其中以波文比-能量平衡法(BREB)、梯度迭代法、空气动力学方法、涡度相关法(Eddy Covariance；EC)以及蒸渗仪等计算、观测方法为主的中小尺度的蒸散观测成果丰硕，并且EC因其优良快速的测量结果常被当作通量的观测标准。由于全 球变化和流域水文研究的需要，区域尺度的蒸散研究越来越受到重视。区域蒸散过程影响机制较多，观测结果并不理想。若将中小尺度的单点式测量结果推广到区域尺度，必须考虑下垫面的不均匀性，如植被的覆盖率、地形的起伏程度等，同时还需考虑大气状态的平稳性、湍流的发展以及局地微气象条件的差异，因此要获得区域面积平均蒸散需建立观测网络。利用遥感信息估算大尺度地表蒸散，即遥感模型法，成为近几年观测区域蒸散的有效技术之一，但该技术通常是根据经验或半经验模型对区域蒸散进行估算。由于对蒸散涉及的许多物理过程中可利用的要素进行参数化的方法不是十分成熟，同时因为下垫面的非均匀性、遥感模型在不同区域的适用性不同、遥感反演地表参数存在不确定性等客观因素的存在，遥感模型结果必须结合地面观测数据进行验证改进，模型参数也应结合地面实测数据进行优化。如何获得与遥感尺度相应的地面蒸散实测数据成为模型验证的前提和重 点，也是遥感水文监测的技术瓶颈。上世纪七十年代发展的基于湍流大气光传播理论与相似理论(Monin-Obukhov Similarity Theory，MOST)相结合光闪烁方法(Scintillometer Method)为上述问题的解决提供了新的解决思路带来了希望。

1978年Wang T提出了利用光闪烁法测量通量的假设，美国NOAA波传播实验室将此假设变成了可能[8-9]。随后的几十年间，基于近红外光、微波、可见光的各种光闪烁方法测量通量的仪器迅速发展，并于九十年代中后期开始用于实际观测研究。光闪烁方法主要分为“单波长方法”和“双波长方法”。单波长方法是基于近红外方式(0.67~0.94μm)的光闪烁仪器，此类仪器主要包括小孔径闪烁仪(Small Aperture Scintillometer， SAS)、大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer， LAS)和超大孔径闪烁仪(Extra Large Aperture Scintillometer， XLAS)，其中SAS测量距离仅为200~250 m，XLAS的测量距离可达10 km，目前光闪烁方法的应用以LAS为主。与单波长方法不同，双波长方法是通过红外-微波联合系统(Optical-Microwave System， OMS)工作，该联合系统包括近红外闪烁仪和微波闪烁仪(Microwave System，MWS)。2000年，中荷合作项目“中国能量与水平衡监测系统(CEWBMS)”首次引进LAS以来，先后在黄河流域、黑河流域、海河流域、黄土高原、青藏高原等地方展开了针对LAS的专门研究，并成功研制出具有自主知识产权的闪烁仪[8-9]。光闪烁方法可以测量区域范围内的平均通量，既弥补了传统观测方法空间代表性不足的问题，同时也与遥感的象元尺度匹配度高，较好地验证了遥感模型的反演结果[10-11]。因此光闪烁法在短短几十年间得到了迅速发展，并表现出了广阔的应用前景，成为区域通量研究领域的重要方法，其不仅实现了区域通量的连续观测，同时也验证了遥感反演结果，改善了遥感模型参数，为区域尺度上的水资源管理做出来重要贡献，但光闪烁方法还存在如信号饱和、相似函数选择等不确定性，还有待进一步研究。

1. 光闪烁方法原理及计算过程

光在湍流大气中传播，由于空气温度、湿度和压强的波动导致大气折射率发生变化，从而导致光束的频率、振幅、强度等出现了无规则的变化，产生了所谓的“光闪烁”现象。光闪烁方法就是根据接收光强变化的信号来来测定空气折射指数结构参数（）。（）受空气的温度(T)、湿度(q)以及气压(P)的波动而发生变化，因此可用温度结构参数（）、湿度结构参数（）和温度与湿度的协方差项（）表示。在近红外方式工作时，T的波动对（）的影响最 大，为了便于计算，假设温度和湿度的相关系数为1，并引入表示波文比系数(β)进行简化。在红外-微波双波长工作方式下，不仅需要计算近红外波段的（,LAS），同时还需计算微波波段的（,MWS）。

2. 光闪烁方法蒸散观测的研究进展

单波长方法:

以近红外方式工作的单波长光闪烁方法通常以波长为880nm或940nm的LAS为主要观测仪器。该方法发展初期，在平坦下垫面条件下对其进行观测研究，并与EC测量结果进行比较。实验结果表明：LAS的测量结果与EC相比具有较好的1:1关系[12-16]。国内在2000年首次引进LAS以来，结合相关气象资料，分别对乐至、乾安、郑州等地区初步进行水热通量的研究对比，结果认为LAS测量的显热通量与当地的气温差相关性显著，结合净辐射资料得出的潜热通量均能反映当地能量的季节变化规律[17-18]。随后黄河流域、海河流域、黑河流域、黄土高原、青藏高原等不同地区的LAS应用试验表明，LAS观测结果与EC方法、波文比方法测量结果一致性很高[8,11,19-20]。

实际研究中，区域尺度的下垫面大部分是非均匀的，由于地形起伏、植被异质等客观因素的存在，光闪烁方法在此类条件下的适用性受为关注。Hemakumara等[21]在斯里兰卡Horana的混合植被区进行实验，Beyrich等[16]对德国东北地区森林和农田混合区域研究时，张劲松等[22]在地形起伏的低地山丘人工混交林的研究中将两台EC的观测结果进行权重叠加，郝小翠等[23]研究陇东黄土高原下垫面不均匀性对光闪烁方法的影响，上述非均匀下垫面的实验结果表明，考虑采样尺度，并利用权重函数对不同地段通量值进行修正，光闪烁法同样可以取得良好结果。光闪烁方法在非均匀下垫面的良好结果说明，光闪烁方法在实际应用中可以与遥感模型进行对比验证。Watts等[24]根据AVHRR数据以及LAS观测结果对墨西哥北部半干旱地区的地表通量进行研究，Meijninger等[25]在土耳其西部灌溉区域用LAS分别测量2700 m和670 m距离的显热通量与LANDSAT数据相比，Nobuhle等[26]对南非不同生态气候区的研究表明，光闪烁方法测量结果与卫星遥感模型运算结果一致性高。同样结果也出现在黑河流域、青藏高原等实验中[8,11,19]。总体说来，以近红外方式工作的光闪烁方法适应不同条件下垫面，且该技术已经成熟，已经实现了商业化生产。

双波长方法:

红外-微波双波长方式工作的光闪烁方法还处于起步阶段。Kohsiek 等[27]最 先采用波长为1cm、发射频率为30GHz的微波成功计算出潜热通量。1988年Hill采用173 GHz的频率研究认为低频波动的水汽会对结果产生影响，首次完整提出“双波长”方法计算过程[28]。McMillan[29]系统地分析了不同波长测量的结果，并认为理想波长为11mm或3.2mm。从对水汽敏感程度以及成本因素考虑，这两种波长成为以后MWS试验的首 选。Lüdi 等[30]认为假设RTq利用微波和近红外交互测量的方法得出与EC具有高吻合度的结果。Meijninger 等[31]验证了双波长方法在非均匀下垫面测算区域蒸散的可行性。Ward 等[32]在英国Swindon城郊区域利用双波长方法研究水热通量，测量结果变化趋势明显，与EC结果一致性较高。中国林业科学研究院黄河小浪底森林生态站是国内率先开展双波长方法研究的机构之一，依托黄河小浪底生态定位站分析了华北低地山丘人工林生长季的蒸散特征，证明了在非均匀地形下的使用优点[5]。

3. 光闪烁方法应用前景

区域蒸散，特别是非均匀下垫面下的区域蒸散测量一直是水汽通量观测研究的重 点与难点，光闪烁方法的出现在一定程度上实现了对区域蒸散直接观测的要求。虽然EC方法常作为通量观测标准用于各种陆面实验中，但其存在空间代表性不足的局限性，同时EC方法的观测要求严格，比如大气状态平稳、湍流充分发展、需在常通量层进行以及下垫面水平均匀等。现实观测中由于下垫面复杂、局地微气象特征差异显著等因素造成观测条件不佳时，可以通过数据质量控制以及数据修正方式得出较好的结果，但由单点或多点观测扩展至面平均通量并非易事，而光闪烁方法是基于光传输理论发展起来的技术，根据可以反映光路上湍流强弱的光强脉动，结合相似理论直接测量出数百米至数公里尺度的平均通量。光闪烁方法的实验表明，光闪烁方法可以获得区域水平上的平均通量，由于平均时间与EC相比很短，因而其统计不确定性小。下垫面均匀时，光闪烁法的测量结果与EC测量结果十分一致，而在非均匀下垫面条件下，充分考虑风向与通量源区的影响后，光闪烁方法也可以取得很好的结果，尤其是与EC联合使用不仅能获得更好的区域平均通量，而且也能精确细化各源区的通量水平。正是因为这些优点，光闪烁方法不仅弥补了EC测量的局限性，成为区域通量观测的重要技术手段，同时也成为卫星遥感模型反演的最 佳检验手段，表现出广阔的应用前景。

在应用光闪烁方法测量区域蒸散时，为了获得更大的源区，利用光闪烁方法时应该让光路径与主风向垂直。使用光闪烁方法时，光路径上不同距离的通量贡献不同，由路径权重函数可知，通量贡献最 大位置在光路径中间，而两端对通量贡献较小，因此可以忽略接收端和发射端载体的影响。在下垫面极其复杂时，使用光闪烁方法时需将光程高度提升至掺混高度以上，避免信号饱和而造成的结果偏低，同时还需考虑光程有效高度、下垫面粗糙度、风速、风向等影响。

利用近红外工作的单波长方法进行观测时会受到空气湿度的影响，在计算 时通常会采用波文比修正，但正确估算波文比并非易事，特别是当波文比较小时，结果的不确定性很大。单波长方法只能直接得出显热通量，获得潜热通量需根据净辐射、土壤热通量以及其他能量传感器观测结果，利用能量平衡余项法间接得出，但由于各分量尺度不同，结果存在不确定性。利用红外-微波双波长联合工作的光闪烁方法不仅可以直接测量区域平均显热通量，而且也能在不考虑波文比修正系数的前提下得到区域平均蒸散量，大大减少了不确定性，在未来高精度的区域通量研究中具有更大的优势。

总之，光闪烁方法，特别是双波长方法在非均匀地表通量观测研究中表现出强大的发展潜力，具有广阔的应用前景。在应用过程中，考虑到结果的精确性，计算过程中的参数如湿度、有效高度、相似函数、风速等，还需进行更加深入的研究分析，特别是利用双波长方法时，考虑到水汽的吸收效应，环境湿度的正确表示更是研究的热点。现有的通量源区模型是在近中性条件下基于湍流扩散而建立的，当大气层结稳定或层结极不稳定时，通量源区会随之扩展或缩小，因此涉及通量源区评价时还需充分考虑其变化情况，利用双波长方法进行观测研究时更应深入分析。双波长方法包含近红外和微波两套系统，两套系统的通量源区并非完全重合，路径权重函数并非完全相同，二者的有效高度也有差异，这也是双波长方法应用中急需解决的问题。设置源区评价置信分析、开展对比实验、减少或消除匹配程度低的信号以及精化数据质量控制方法是提高双波长方法测量结果的有效途径。

内陆水体的首次应用案例

1.研究目标

该研究目的是比较OMS与涡动相关系统测量的水体上方的感热通量和潜热通量。更具体地说，该研究探索了几种使用直接闪烁仪计算湍流通量的方法（主要是设定RTq为常数，文中记为TW；计算实时RTq，文中记为BC）。这些方法所用的数据来源与闪烁仪测量和辅助观测的常规气象因子（温度，湿度，气压、风速以及净辐射等），同时也研究了采用涡动相关系统的观测数据对闪烁仪计算通量的影响。闪烁仪系统不能直接判断湍流通量的传输方向，文章根据光束中心地表温度与近地表空气温度的差异来描述大气稳定性，从而确定通量传输方向。

该研究的具体目标是：

(1) 比较涡动相关和闪烁测量系统测量的结构参数；

(2) 比较使用这些系统获得的H和LE通量；

(3) 探索使用地表-空气温差来补充一个完全独立的闪烁测量系统；

(4) 讨论闪烁测量和MOST（莫宁-奥布霍夫相似理论）在大型水体上使用时的局限性。

2. 方法

实验在加拿大魁北克省东北部(50.68°N， 63.25°W;图 1 (a))的一个水库上进行，观测期间水位没有明显改变，且无结冰。观测设备包括双波长闪烁仪系统(OMS，包括近红外闪烁仪、微波闪烁仪)、涡动相关系统以及一些辅助观测。观测时间为2019年8月14日至10月9日，共57天。在观测时段内，水库从蓄热期(平均地表温度(Twater)低于2m的空气温度(T))转为放热期(Twater大于T )。选择该段时间是因为大气层结条件为中性或或不稳定状况，更符合MOST的使用条件(Ward et al. 2015)。

图 1 (a) Romaine-2水库的南部地区，在闪烁仪路径的中心向北拍摄；(b) 加拿大Romaine-2水库的位置（红星）；(c) 闪烁仪（三角形）、涡动相关通量塔（彩色圆圈）和温度链（黑点）在地形等值线上的位置，包括水库测深（陆地和水等值线以海拔米为单位，从水面开始）

2.1 闪烁仪

OMS观测路径长1745 m，98%的光路位于水面,OMS光束在路径中间交叉(见图2，顶部面板)。光路的平均高度zm为9.9 m，考虑到水力发电引起的水位波动，zm始终保持在距离水面9.5 ~10.7 m。在通量计算时，使用每日变化的闪烁仪高度。由于光路下的水面大部分是平坦的，有效测量高度zm,eff (Hartogensis et al 2003)等于zm。在整个研究期间通量源区大多位于水面（图 3），通量足迹模型使用Kljun等人(2015)模型，该模型已被Isabelle等人(2020)用于闪烁仪的观测分析。

图 2  (a)从发射塔(左)到接收塔(右)的闪烁仪路径视图和浮台通量塔的投影位置。注意，浮台位于梁以北约1.6公里处，方向为西北-东南，如图1c所示。(b)沿路径的加权函数WS。垂直虚线表示闪烁仪路径的中点  

图 3 整个研究期间浮台通量塔(黑色)和闪烁仪(红色)的足迹贡献等值线。源区等高线对应于总测量通量的百分比。例如，在整个研究期间用闪烁仪测量的通量有80%来自最 大的红色区域。使用Kljun等人的模型计算足迹(2015)，并根据闪烁仪光束进行了调整，如Isabelle等人(2020)

2.2 基于浮台的涡动相关测量

一个配备了一个涡动相关系统安装在3 × 3 m2的浮台(图 1(c))，为了避免受巨浪的破坏，浮台固定在两个岛屿之间，位于光路以北1km处。浮台配备快速响应声波风速计和红外气体分析仪(IRGASON， Campbell Scientific， USA)，距离水面上方2米的，浮台系留在水库30m深。涡流相关传感器向东(114°)，垂直于主水库轴，以便从两个主要方向取样风。为了校正波浪引起的运动，在涡动相关传感器的安装臂上安装了一个加速度计(AHRS， Lord Sensing MicroStrain， USA)，水平距离为0.9米。使用CR3000数据记录器(Campbell Scientific， USA)在10hz频率下收集涡动相关和加速度计数据。

2.3 其他测量

净辐射(Kipp & Zonen，荷兰)安装在浮台上离水面2米高，主要观测辐射收支，即入射和出射短波和长波辐射。使用TB4雨量计(Hyquest Solutions，美国)监测降雨，位于闪烁仪光路以南约2.5km处(见图 1(c))。

用两链探针测量水柱温度。第 一链位于闪烁仪路径的中间，长70米，位于水库大约100米深的部分。第二条链位于浮台附近，长度为15米，位于水库30米深的区域(图 1(c))。第 一和第二链分别有31个和20个传感器，其中11个位于顶部3 m， 7个位于以下7 m， 12.5 ~ 32.5 m和40 ~ 70 m分别有9个和4个特征层。每个传感器的数据每30分钟采样一次。水面温度是用一块白色泡沫遮挡太阳辐射的浮动传感器测量的，用于获得水-空气温差△Tw-a。

3. 结果

3.1 结构参数比较

3.2 通量的比较

图 5涡动相关浮台通量与闪烁仪通量的比较。左图显示了涡动相关与闪烁测量双色方法之间的比较，右图显示了涡动相关与闪烁测量双波长方法之间的比较。上行显示了显热通量比较，闪烁仪显热通量用相关方法计算(a、e);（ b、f）为 独立方法。底行显示了潜热通量的比较，闪烁仪潜热通量相关方法计算(c、g); (d、h)为 独立方法。红点、灰点和蓝点分别代表不稳定(ζ <−0.05)、接近中性(−0.05 < ζ < 0.05)和稳定(ζ > 0.05)。每个图都有 1：1 线（黑色虚线）

利用水体表面与空气温差符号用作通量方向指示时，BCi(bichromatic independent)感热通量方向与涡动相关系统的感热通量方向更趋于一致（图 5）。对于H和LE以及所有稳定条件，各方法与EC相关性从最 佳到最 差依次为：TWd(two-wavelength dependent)、BCd(bichromatic dependent)、TWi(two-wavelength independent)和BCi(bichromatic independent)。采用水和空气之间的温差表征通量传输方向，可以显著改善其BC的性能，而成本适中。

图 6 (a) 8 月 16 日至 18 日的 H 和 (c) LE 数据以及 9 月 30 日至 10 月 2 日的 (b) H 和 (d) LE 数据的两个 3 天周期

BC湍流通量可以观察到寒冷地区水体在能量收支方面的典型行为。仲夏虽然有大量的净辐射，但H和LE的含量相对较少，因为大量的热量储存在水中。秋季的净辐射较低，但H较大，因为热量从水体释放 （图 6）。涡动相关测量值与闪烁仪测量H之间的良好一致性，但在判断通量传输方向存在欠缺，特别是在早晚过渡时期。当用涡动相关测量时，感热通量符号清楚地遵循水-空气温差的符号和大小。对于潜热通量，普遍观察到闪烁仪通量高于涡动相关，特别是在白天对独立方法，而更好的一致性在夜间。潜热通量在白天达到最 大值，与感热通量相反。

图 7通过闪烁测量方法、双色依赖性（BCd）、双色依赖性（BCi）、双波长依赖性（TWd）和双波长依赖性（TWi）方法获得的整个研究期间累积（左）蒸发和（右）显热通量的比较，与浮台位点的涡流方差测量。请注意，未显示使用 BCi 的累积 H 比较，因为它显示负结果。仅显示两个系统都可以进行测量的周期。1：1 线表示为黑色细线

闪烁仪测量LE通常偏大。涡动相关系统测量了90mm的蒸发量，而闪烁仪分别测量了150mm和223mm的蒸发量 (图 7)。在能量通量方面，涡动相关系统测量到的潜热通量为230 MJ m-2，而闪烁仪测量到的潜热通量分别为370 MJ m-2和550 MJ m-2。此外，对于感热通量，涡动相关方差测量到72 MJ m-2，而闪烁仪测量到43 - 50 MJ m-2(图 7(b))。

闪烁仪与涡动相关系统之间的对准对感热通量的较高空气温度较好，对潜热通量的较低空气温度略好。在观测站点，较高的温度通常表明白天接近中性的条件，此时H的相关性最 好。对于H和LE，在较低的摩擦速度下，系统之间有较高的相关性。这也是在接近中性或不稳定条件下系统之间更好的比较的必然结果。

4. 结论

（1）闪烁仪在实验中表现了稳健性。与涡动相关系统相比，湍流通量在接近中性条件下具有很强的相关性，但在不稳定和稳定条件下表现出较低/较弱的相关性。尽管两种方法在结构参数和温度湿度相关性上的一致性较差，但得到了上述结果。用闪烁仪计算感热通量似乎对这些直接测量不是很敏感。然而，潜热通量的计算似乎对明显高估的湿度结构参数很敏感。我们建议未来的微波闪烁仪工作应始终包括详尽的光谱分析。

（2）闪烁仪判断的感热通量传输方向存在不确定性，，这大大降低了与涡动相关系统的一致性，在闪烁测量法的计算中加入涡动相关变量后，结果得到了极大的改善。使用光束中心位置的地表-空气温差作为大气稳定层结和感热通量传输方向可显著改善闪烁仪的不足。

（3）闪烁仪对潜热通量的估计明显过高，以及在某些情况下无法正确测量温湿度相关性，还需进一步研究。

设备简介

双波长闪烁仪系统（Optical-Microwave System，OMS）

荷兰Kipp&Zone公司出品的LAS MKⅡ大孔径闪烁仪（简称LAS）+德国RPG公司出品的RPG-MWSC-160微波闪烁仪（简称MWSC）。

开路式涡动相关系统（Open Path Eddy Covariance System）

美国Campbell 公司出品的IRGASON 开路涡动相关监测系统。